VOIP Voz sobre IP Materiais usados Sumário O que é a VoIP

Materiais usados
VOIP
Voz sobre IP
Sistemas Telemáticos
Departamento de Informática
Universidade do Minho
Sumário
•
•
•
•
•
•
Motivação para o VOIP
Qualidade da voz no VOIP
Digitalização de voz : CODECs
Componentes VOIP
Protocolos VOIP
Cenários para VOIP
• Apresentação do Will Dennis com
permissão do autor
• Cap 7 de Multimedia Systems and
Signals, Mandal
• Ver livro VOIP na página do TERENA
– Terena VOIP Cookbook Cap.2, Cap.3 e
Cap.7 (donde foram extraídas figuras)
O que é a VoIP?
A VOIP e o Telefone na Internet são
métodos que convertem os sinais de voz em
dados digitais e enviam-na através da Rede
IP.
Vantagens do VOIP
•
•
•
•
•
Redução de custos
Mais largura de banda
Integração da voz e dados
Eficiência da rede
Mais e melhores serviços
1
Cenários de Utilização VOIP
Cenário 1
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo
custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX
• Cenário 3: Integração de VOIP e VideoConferência
A separação tradicional
Cenário 1
Cenário 1
Integração entre a Rede Telefónica e de dados
Implementação da arquitectura
2
Cenário 1
Facilidades
• Encaminhamento das chamadas de
acordo com hora e o dia da semana
• Encaminhamento por destino
• Modificação de números
• Gestão de classe de serviço
Cenários de Utilização VOIP
Cenário 1
• Utilização: Uma empresa com vários
escritórios em cidades diferentes da
Europa que tem que contactar
telefonicamente clientes em todo mundo
Cenário 2
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo
custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX
• Cenário 3: Integração de VOIP e VideoConferência
Situação tradicional
Cenário 2a
Cenário 2b
Integração do VOIP com o PBX
Telefones IP sem PBX
3
Cenário 2C
Substituição completa do PBX
Cenário 2c
• Terminais simples vs inteligentes
• Sinalização: SIP/H.323
• Funcionalidades tradicionais
–
–
–
–
Números de emergência
Plano de encaminhamento de chamadas
Integração com a rede pública de móveis
Beeps/telefones sem fios privados/elevadores
• VOIP sem fios
• Outros aspectos: servidor de autenticação
RADIUS etc…
Cenários de Utilização VOIP
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo
custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX
• Cenário 3: Integração de VOIP e VideoConferência
Cenário 3c
Cenário 3c
• O foco tradicional é na voz
– O VOIP tem capacidade de transportar vídeo
• Problemas com a videoconferência
– Acessibilidade
– Serviços de valor acrescentado
– Inter-operabilidade entre diferentes
tecnologias
Cenário 3c
• Aplicações
– Teletrabalho
– Telemedicina
– Ensino à distância
– Serviços ao cliente
– Justiça
– Laboratórios virtuais/remotos
4
Mercado VOIP na Europa
($M)
Mercado VOIP na Europa
2004-2008 ($M)
600
500
400
300
200
100
0
2003
2005
2006
2007
2008
Source: IDC, European IP Telephone Forecast, 2004-2008
Source: IDC, European IP Telephone Tracker Q2 2004
($M)
2004
Mercado Europeu IP PBX
, 2004-2008 ($M)
Mercado IP PBX vs PBX
tradicional ($M)
($M)
3.000
2.500
4000
3500
2.000
3000
2500
1.500
PBX
2000
IP PBX
1500
1.000
1000
500
500
0
0
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2008
Source: IDC, 2004
Source: IDC, European IP PBX Forecast, 2004-2008
Minutos VOIP (chamadas de saída
empresas ), 2002-2007
Aspectos técnicos do VOIP
(Minutes in Millions)
• Aspectos chave
20000
18000
–
–
–
–
–
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Qualidade de Serviço (QoS)
Interoperabilidade
Escalabilidade
Segurança
Integração com a RTC
• Arquitectura
• Protocolos
Source: IDC, European IP Telephony Services Forecast , 2003-2008
5
Algumas definições
Algumas definições
• Rede Telefónica Comutada (RFN)
• Rede de Comutação de Circuitos
• Rede Internet (Rede IP)
Rede Telefónica Comutada é a rede telefónica disponível ao público
incluindo as linhas telefónicas, micro-ondas e outros modos de transmissão.
Quer a rede IP como a rede de comutação de circuitos podem ser
suportadas pela RTC.
Rede de Comutação de Circuitos é a rede telefónica tradicional que envia
informação através dum circuito fixo a ligar o chamador e o recipiente. É
estabelecido um circuito temporário entre o chamador e o chamado durante
a comunicação. Essa linha não pode ser usada por mais ninguém nesse
período.
A Rede IP transmite dados usando pacotes. As comunicações são divididas
em pequenos pacotes e enviados de forma independente para a rede. Os
pacotes por vezes são enviados através de linhas de transmissão diferentes
e reagrupados no destinatário.
Algumas definições
Algumas definições
Rede Telefónica Comutada é a rede telefónica disponível ao público
incluindo as linhas telefónicas, micro-ondas e outros modos de transmissão.
Quer a rede IP como a rede de comutação de circuitos podem ser
suportadas pela RTC.
Rede Telefónica Comutada é a rede telefónica disponível ao público
incluindo as linhas telefónicas, micro-ondas e outros modos de transmissão.
Quer a rede IP como a rede de comutação de circuitos podem ser
suportadas pela RTC.
Rede de Comutação de Circuitos é a rede telefónica tradicional que envia
informação através dum circuito fixo a ligar o chamador e o recipiente. É
estabelecido um circuito temporário entre o chamador e o chamado durante
a comunicação. Essa linha não pode ser usada por mais ninguém nesse
período.
Rede de Comutação de Circuitos é a rede telefónica tradicional que envia
informação através dum circuito fixo a ligar o chamador e o recipiente. É
estabelecido um circuito temporário entre o chamador e o chamado durante
a comunicação. Essa linha não pode ser usada por mais ninguém nesse
período.
A Rede IP transmite dados usando pacotes.
As comunicações são divididas em pequenos pacotes e enviados de forma
independente para a rede. Os pacotes por vezes são enviados através de
linhas de transmissão diferentes e reagrupados no destinatário.
A Rede IP transmite dados usando pacotes. As comunicações são divididas
em pequenos pacotes e enviados de forma independente para a rede. Os
pacotes por vezes são enviados através de linhas de transmissão diferentes
e reagrupados no destinatário.
Linhas de transmissão em Redes Comutação
de Pacotes e de Circuitos
Com. de Circuitos
( Rede Telefónica)
Com. de Pacotes
(Rede IP)
Qualidade da Voz
• A largura de banda é facilmente quantificada
– Qualidade da voz é subjectiva
• MOS, Mean Opinion Score
– Recomedação P.800 ITU-T
•
•
•
•
•
Excelente – 5
Boa – 4
Razoável– 3
Pobre – 2
Má – 1
– Um mínimo de 30 pessoas
– Ouvir amostras da voz ou conversações
6
Qualidade da voz
• Mean Opinion Score (MOS)
– Numa escala de 1-5 (5 é melhor)
– 4 é a chamada toll quality
– Os telemóveis têm baixa qualidade
Problemas de QoS no VOIP
• VoIP é comparável aos telemóveis
• Causas da baixa qualidade da voz
– Atraso
– Jitter
– Perdas
– Eco
Eco
Chamada telefónica normal
Eco e Qualidade da Voz
• Cancelador de Eco é necessário para atraso (num
sentido) >30ms
Atraso
1-s (ms)
0-25
Qualidade
Efeito na qualidade da voz
Excelente
25-150
Boa
Gama esperada para chamadas
nacionais
Gama esperada para chamadas
internacionais por cabo
150-400
Razoável
>400
Pobre
Chamada telefónica normal com eco
Compensação de Eco
• As reflexões do sinal geradas pelo circuto
híbrido que converte um circuito de 2 pares (1
para TX outro para RX) num circuito de 1 par
(1 único par para TX e RX)
• O atraso de ida e volta da rede é quase
sempre superior a 50ms
• A norma G.165 do ITU define o desempenho
requerido para os canceladores de eco.
Gama esperada para chamadas
internacionais por satélite
A evitar
Atraso
• Processamento
– Tempo necessário para colectar as amostras
codificadas e colocá-las em pacotes da rede
– O tempo de codificação depende do algoritmo do
CODEC usado e da velocidade do processador
• Rede
– Meio fisico de transmissão
– Capacidade das ligações e dos nós intermédios e
pelos buffers do destinatário para remover o jitter
7
Compensação da Perda de
Pacotes
Jitter
Intervalo de tempo variável entre pacote
provocado por percursos de rede
diferentes
• Remoção do jitter: colocar os pacotes
num buffer e aguentá-los o tempo
suficiente para permitir a chegada dos
pacotes mais atrasados
• Causa atraso adicional
A perda de pacotes pode transformar-se num
problema sério, dependendo do tipo de
pacote de rede que estiver a ser usado
• Interpolar os pacotes perdidos voltando a
reproduzir o último pacote recebido durante o
intervalo
• Enviar informação redundante
• Usar um codificador de voz híbrido que use
menor largura de banda
• Evitar e controlar a congestão na rede
CODECs
Especificação de QoS
Parâmetros
Toll Quality
MOS
R-Value
≥4
≥ 80
Atraso fim a fim (1
sentido)
Abaixo da Toll Quality
>3.5 and < 4
>70 and < 80
≤150ms (sem
ligação satélite)
≤ 400 (com satélite)
• Comum - pulse code modulation (PCM)
< 2%
< 2%
Perda de Pacotes
< 0.1%
< 2%
< 5 ms
– Série g para audio;Série h para video
≤ 400ms
Grau de Serviço
Jitter dos pacotes
• Codificam e descodificam dados
analógicos para transporte sobre redes
digitais (independe/ do tipo de rede)
– amostragem -> quantização -> codificação
– G.711: 8000 Hz x 256 Níveis Q= 64 kbit/s
• Norma bem conhecida para RDIS
• codecs podem oferecer compressão e
detecção de silêncios
< 10 ms
Taxonomia de CODECs de Voz
2. Codificação de Voz
Codificadores de Voz
Codificador de Forma de onda
Domínio do
tempo:
PCM, ADPCM
Domínio da frequência:
Codificador de sub-banda,
Codificador de
Transformada adaptativa
Codificador de Fonte
Codificador
Predictivo
Linear
Codec de forma de onda: tenta preservar a forma de onda;
não específico da voz.
q PCM 64 kbps, ADPCM 32 kpbs, CVSDM 32 kbps
q Vocoders:
q Analise a voz extrai e transmite os parãmetros
q Usa parâmetros do modelo para sintetizar voz
q LPC-10: 2.4 kbps
q Híbridos: Combinam o melhor dos dois… Eg: CELP
q
codecs comums usados na VoIP:
Data Rate
(Kbps)
Representative
Voice Quality
(MOS)
Delay
(ms)
G.711 PCM
64.0
4.3
0.125
0
G.721 ADPCM
32.0
4.1
0.125
6.5
G.726 Multirate ADPCM
G.723 MP-MLQ ACELP
Vocoder
Codec
Complexity
(MIPS)
16 - 40
2.0 - 4.3
0.125
5.3, 6.3
4.1
70
25
G.728 LD-CELP
16.0
4.1
2
37.5
6.5
G.729 CS-ACELP
8.0
4.1
20
34
G.729a CS-ACELP
8.0
3.4
20
17
www.zdnetindia.com
8
Classes de Codecs
• 3 classes diferentes
Codecs de Forma de Onda
• PCM, ADPCM
• A entrada é amostrada, quantizada e
reconstruída no receptor
• Não é necessário conhecimento da fonte
– Codecs de forma de
onda
– Codecs de fonte
(Vocoder)
– Codecs Híbridos
Princípios de Compressão Áudio
§ Redundância Estatística
§ Menos bits para valores de amostra mais comuns
§ Redundância Temporal
Função Taxa de Distorção
§ Teorema de Shannon para codificação da
fonte sem erros
§ Limite na compressão sem erros
§ Correlação entre valores de amostras vizinhas
§ Redundância inter-amostra
§ Redundância do Conhecimento
§ Explorar conhecimento partilhado entre
codificador e descodificador
§ Ficheiros MIDI /Vocoder
§ Fontes áudio naturais
§ Compressão sem perdas máxima 2:1
§ Compressão com perdas usada na prática
§ Obtenção de maior razão de compressão.
§ Propriedades do Sistema Humano de
Audição
§ Aumentar a qualidade subjectiva do sinal áudio
Função Taxa de Distorção
Redundância Estatística
• Compressão de Texto
– Métodos de compressão eficientes baseados
na entropia
Codificador simples
Débito D(dm)
Codificador complexo
Limite da teoria da informação
• Pode-se usar a mesma abordagem na
compressão de áudio
distorção dm
^
dm = E{d ( S , S )}
^
S − vector fonte original S - vector reconstruído
dm - distorção média E(x) - valor esperado de X
9
Exemplo 7.2
Solução
• Considere um sistema de aquisição áudio que tem
10000 amostras de áudio mono com resolução de 3 bits
com níveis entre 0 e 7. O número de ocorrências para
os oito níveis foram
[700,900,1500,3000,1700,1100,800,300]
– Calcule e desenhe a função densidade de probabilidade para
cada símbolo
– Calcule a entropia da fonte
p[0] = 700/10000 = 0.07
p[1] = 900/10000 = 0.09
p[2] = 1500/10000 = 0.15
p[3] = 3000/10000 = 0.30
p[4] = 1700/10000 = 0.17
p[5] = 1100/10000 = 0.11
p[6] = 800/10000 = 0.08
p[7] = 300/10000 = 0.03
H = − ( 0 .07 * log 2 0 .07 + 0 .09 * log 2 0 . 09 + 0 .15 * log 2 0 .15 + 0 .30 * log 2 0 .30 +
0 . 17 * log 2 0 . 17 + 0 .11 * log 2 0 .11 + 0 . 08 * log 2 0 . 08 + 0 .03 * log 2 0 . 03 )
= 1 .88 bits / sample
Redundância Estatística
Sinal chord.wav
• O método de codificação baseado na
entropia
– Não consegue altos níveis de compressão
para a maioria dos sinais áudio
– Mas disponibiliza bom desempenho quando
aplicado a coeficientes de transformada
Audio Waveform (Chord)
180
Amplitude
Fig. 7.3,pag.149
Fig. 4.14(a)
160
140
120
100
80
1
2001
4001
Samples
• Norma MPEG-1 utiliza codificação baseada na
entropia
6001
Codificação MU-LAW
Codificação MU-LAW
Caratcterísticas de E/S com µ = 255
g
h
f (g )
Compressor
h = f ((g
g)
Quantificador
Uniforme
h*
g*
g * = f −1 ( h * )
h*
g
f −1 (h* )
Expansor
h
h*
10
Exemplo 7.3
Redundância Temporal
– Considere o sinal áudio chord. Quantifique o
sinal uniformemente com 8 bits, utilizando a
compressão com mu=255. Expanda o sinal e
calcule a relação sinal-ruído (SNR). Compare
a SNR com a obtida com o exemplo 4.6
DPCM
Exercício (de FT)
•
a)
b)
c)
Differential Pulse Code Modulation
Suponha que na amostragem dum sinal áudio obteve a seguinte
sequência de valores reais
2.3,2.1,3.2,1.2,1.3,2.3,2.5,3.2,3.8,2.52.0,1.4,1.2,1.2,1.0,0.8,0.6,0.
0,-0.3,-0.5,-0.8,-1.2,-1.5,-1.7,-1.9,-2.2,-2.5,-2.7,-2.9,-3.1,-3.9
Quantize esta sequência dividindo o intervalo [-4,4] em 32 níveis
igualmente distribuídos (coloque o nível 0 a -4.0, o nível 1 a-3.75,
etc…). Assuma que os valores na gama [-4,-3.75) correspondem
à saída -4(que corresponde ao nível 0 do quantizador) os valores
da gama [-3.75,-3.5) correspondem à saída -3.75 (nível do
quantizador), etc… Observe que os intervalos são abertos à
direita o que significa que o -4 está incluído mas o -3.75 não está
incluído no nível 0.
Escreva a sequência quantizada . Codifique-a usando o PCM.
Quantos bits precisa para transmiti-la?
Codifique a sequência usando o PCM mas usando apenas as
diferenças. Qual o valor máximo e mínimo entre amostras
sucessivas? Quantos bits precisa para transmitir a sequência?
• No DPCM
– Uma amostra áudio é prevista com base nas
M
amostras anteriores ^
'
s n = ∑ α i sn
i =1
– O valor previsto é aproximado mas diferente do valor
da amostra
^
^
s n ≈ sn
en ≈ sn − s n
– Fórmula usada pela técnica LPC(Linear Preditive
Coding)
Codificador DPCM
Descodificador DPCM
Esquema simplificado
Esquema simplificado
^
en
Quantificador
Sn
S n´
^
Sn
Descodificador
^
en
Áudio original
Previsor
⊕
Áudio
Compactado
Codificador
Áudio
Compactado
en
^
Sn
Áudio Reconstruído
⊕
Previsor
S n´
11
DPCM
M
∑α
i =1
i ,opt
R ( j − i) = R ( j )
Exemplo 7.4
• Considere o sinal áudio chord. Determine
o conjunto óptimo de coeficientes de
previsão de 1ª,2ª e 3ª ordem.
R ( j ), j = 0,±1,±2,.... é a função de autocorrelação
dos dados da amostra de entrada
N
R ( j ) = ∑ sm * sm + j
m =1
Erros de previsão
DPCM
• Depois de obtida o erro da sequência en
– É codificado para reconstruir o sinal
perfeitamente
– Na codificação com perdas uma qualidade de
reconstrução razoável é aceitável
• A quantificação é a única operação na codificação
DPCM que introduz ruído
Exemplo 7.5
• As 4 primeiras amostras duma sequência digital áudio
são [70,75,80,82,...]. São necessários no mínimo 7 bits
para codificar cada uma das amostras. As amostras
áudio são codificadas usando o DPCM usando o
previsor de primeira ordem. Os coeficientes de erro de
predição são quantificados por 2 e arredondados para o
próximo inteiro e armazenados sem perdas. Determine o
número aproximado de bits necessários para
representar cada amostra e o erro reconstruído em cada
instância de amostra.
Codificação DPCM
vários passos para a sequência [70,75,80,82,...]
Instâncias
de
amostras
0
1
2
3
70
75
80
82
0
75-67.9=7.4
80-73.6
=6.4
82-77.2
=4.8
Erro do sinal quantificado
0
7.1/2=4
6.4/2=3
4.8/2=2
Erro reconstruído
0
4*2=8
3*2=6
2*2=4
70
67.9+8=75.9
73.6+6=
79.6
77.2+4=
81.2
Sinal previsto para próxima
^
amostra S n
70*0.97=6
7.9
75.9*0.97=73.6
79.6*0.97=
77.2
81.2*0.97
=78.8
Erro de reconstrução
0
-0.9
0.4
0.8
Nº de bits necessários
7
3
2
2
Sinal original
Erro do sinal
Sn
en
Sinal reconstruído
S n´
12
Codecs de Fonte
• Unificam o sinal de entrada com um
modelo matemático
• Modelo de Filtro predictivo linear do
aparelho vocal
• Flag Voz/Sem voz para a excitação
• É enviada informação em vez do sinal
• Baixos débitos de bits mas sons sintéticos
• Débitos maiores não melhoram muito
Codecs da Fonte
• O receptor reproduz a voz com os
parametros recebidos e a excitação
• A taxa de bits é baixa 2.4 kbit/s
• Qualidade bastante longe do som natural
Codecs de Fonte
• Construir um modelo básico para voz
– Implementá-lo no TX e no RX
• Durante a codificação determinar os
parâmetros do modelo para ajustá-lo ao
sinal de entrada
• Determinar a excitação
– Apenas dois estados de excitação :Ruído
branco (sem voz) e Trem de pulsos (voz)
• Transmitir a excitação & parâmetros
Codecs Híbridos
• Tenta combinar as vantagens dos codecs
de forma de onda e os codecs fonte
Ł Baixa taxa de bits & Alta qualidade
• Os mesmos princípios que os codecs de
fonte mas
– Múltiplos estados de excitação
– Minimiza erros entre voz gerada e voz de
entrada
– Usa quadros (frames) de 20 ms
Componentes VOIP
Terminal
• Um sistema final onde terminam comunicações
e as suas cadeias de dados (media).
– Telefone hardware ou software, Videofone
– Há uns concebidos para uso por pessoas e outros
para resposta automática
– Tem atribuído um endereço IP
• Podem ser usados vários terminais no mesmo IP mas são
independentes
• Na maior parte das vezes um terminal pode ter mais que um
endereço que são usados para o chamar…
– Se forem usados servidores de Telefone IP os
terminais registam-se.
www-mobile.ecs.soton.ac.uk
13
Escolhas possíveis:
• Telefone Hardware
• Telefone software
• Adaptador de telefone
analógico
Skype
Telefones VoIP
Skype
– Aplicação VOIP mais
popular
– Chamadas gratuitas
para outros utilizadores
Skype
– Chamadas baratas (~
?/min) para fixos e
móveis
– Várias funcionalidades
adicionais
Componentes VOIP
Componentes VOIP
Servidores
Gateway
• Podem também fornecer mecanismos
adicionais de encaminhamento de
chamadas
• São também responsáveis pela
autenticação de registos, autorização dos
participantes nas chamadas e elaboração
de contabilização
• São terminais de telefone que facilitam a comunicação
entre sistemas terminais que não inter-operam
– Tradução de protocolos de sinalização
• SIP e ISDN
– Tradução entre endereços de rede diferente IPv6/IPv4
– Tradução entre Codecs
• Podem acumular várias destas funcionalidades
• Gateways
– VOIP/PBX é fácil
– Entre diferentes protocolos VOIP já é mais complicado
Componentes VOIP
Componentes VOIP
Pontes de Conferência
Endereçamento
• Fornecem meios para ter conferência
multiponto ad hoc ou previamente
programadas
• Têm requisitos muito elevados de
recursos
– Servidores dedicados
– Hardware especial para media
• O utilizador precisa de se identificar a si
próprio e destinatário da chamada
• Idealmente
– Identificador deve ser independente da
localização do utilizador
– Deve ser a rede a localizar o utilizador
– Um utilizador deve ser identificado de vários
formas
14
Componentes VOIP
Componentes VOIP
Endereçamento
Endereçamento
• Rede Telefónica normal
– Números E.164
• Ex: +351 253 604431
• Ao discar o + é substituído por 00 seguido o
código de país e número do assinante
– Inicialmente na telefonia IP usava-se o
endereço IP
• Difícil de memorizar
• Dependente da localização física
ENUM
• ENUM é um protocolo definido pelo RFC
2916, que tem como objectivo traduzir
números E.164 em nomes de de domínio
Internet
• O ENUM permite o uso de números de
telefone tradicionais num contexto de
diferentes meios de comunicação
nomeadamente os resultantes do
desenvolvimento das Redes IP (email, VOIP)
facilitando a penetração das novas
aplicações no mercado
O que é o ENUM?
•ENUM é parte da extensão da RTC na
Internet
–ENUM é definida pelo IETF e traduz qualquer
número E164 number em pontos de serviço
Internet; [RFC 2916, September 2000]
•Define o uso de RRs do DNS para
estabelecer a correspondência para uma
colecção de endereços de serviço
incluindo:
–endereços SIP / H.323 VOIP
–servidores IP FAX servidores Voice Mail
– serviços PSTN (redirect)
• Actualmente
– URIs (RFC 2396)
– Números (E.164)
• URIs
– Usa um espaço de nomes registado para
descrever um recurso duma forma
independente da localização
• Endereços E-Mail
• Idenficadores SIP e H.323
O objectivo do ENUM
• Correspondência entre números de telefone no
mundo
• Permite a qualquer dispositivo IP estabelecer
quando um número de telefone está descrito por
um endereço de ponto de serviço IP
– E … qual é o ponto de serviço Internet preferido
actualmente
– E .. Que endereço IP, protocolo, numero de porta e
endereço de aplicação deve ser usado para contactar
o ponto de serviço preferido
Porquê o ENUM?
• Cada central VOIP é uma rede terminal ligada à RTC
• Cada gateway duma central VOIP tem que usar a RTC para
chegar a outros terminais VOIP
= Tem que se pagar à mesma aos operadores de
telecomunicações
ENUM é uma forma de ligar as ilhas VOIP no mar da RTC
• ENUM permite que cadal gateway duma central VOIP descobrir
outros gateways VOIP se necessário
• Terminais VOIP podem chamar outros terminais VOIP sem
recorrer à RTC
= Evita-se pagar às operadoras de telecomunicações
• As funcionalidades disponibilizadas para chamadas originadas
na RTC não são muito claras no ENUM
15
O mundo do multi-Gateway VOIP
VOIP + ENUM = PSTN Bypass
• A RTC é usada como rede inter-VOIP
• Como pode ser encontrado o gateway VOIP de
forma dinâmica?
– Implicações óbvias nos custos a pagar às operadoras de
telecomunicações
– Implicações mais subtis para as redes VOIP privadas
extendidas
PSTN
PSTN
PSTN
PSTN
Internet
Internet
Como funciona o ENUM?
• Um gateway ENUM VOIP Gateway consulta primeiro o DNS
para verificar se o número discado é atingivel através dum
serviço
• A resposta do DNS é uma colecção ordenada de URIs
(NAPTR records)
• Se há uma resposta, o gateway selecciona o serviço preferido
para completar a chamada
DNS Resolver
3. DNS URI response
1. sip:[email protected]
2. tel:61412356780
3. tel:61212345678
A minha preferência para chamadas de voz é:
Tente estabelecer uma chamada VOIP para o meu
servidor sip, depois o telefone móvel e a seguir o
fixo.
2. Gateway DNS Query
8.7.6.5.4.3.2.1.2.1.6.e164.arpa
1. Dial: +61212345678
– Pode um número de telefone ser atingível através dum
dispositivo Internet?
– Se sim, qual é o endereço de serviço Internet?
Qual é o potencial do ENUM?
• ENUM pode também fazer uma
correspondência dum número de telefone para
um endereço de email, endereço web, ou qq
outra forma de endereço, especificada por um
URL
• ENUM tem como objectivo potenciar a
reciclagem dos números de telefone com
identificadores de serviço Internet
– Permite o uso dum número de telefone tradicional num meio de
comunicação diferente como por exemplo endereço de email,
mensagem instantânea, páginas web pessoais e pode facilitar a
penetração de novas aplicações no mercado
– Uma pessoa, um número, múltiplos serviços
Gateway
4. SIP call to sip:[email protected]
IP Phone
E.164 como identificador universal?
fax:+61 2 62486000
ENUM: mais informação
• O RFC
• Cap. 7 do cookbook
mailto:[email protected]
http://www.jd.com
tel:+61 2 12345678
sip:[email protected]
ENUM
Use this number for any service:
+61 2 12345678
16
Ligação da Rede IP à RTC
Protocolos para VOIP
Ligação da Rede IP à RTC
• Que problemas se colocam?
• Que componentes e protocolos são
necessários?
• Como suportar a voz na rede IP?
• A rede IP é adequada?
Protocolos e Normas
• Identificação dos utilizadores
– Conversão de identificadores
• Sinalização da chamada
– Protocolos de sinalização
• Transferência dos média
– Conversão de média
– Transporte : TCP vs UDP
• Conferências
– IP Multicast
• …
Protocolos e Normas (contd.)
Pilha de Protocolos H.323
Data
Data
Audio
Audio Signal
Signal
G.711
G.722
G.723.1
T.127
G.728
G.729
Video
Video Signal
Signal
H.261
H.263
Presentation
Session
Transport
RTCP
RAS
T.124
RTP
Supplementary
Supplementary Services
Services
H.450.3
H.235
UDP
Network
Data Link
Physical
Control
Control
H.225
T.125/T.122
H.450.2
H.450.1
H.245
T.126
X.224.0
TCP
IP
17
Protocolos H.323
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Arquitectura H.323
H.225
Covers narrow-band visual telephone services
H.225 Annex G
H.235
Security and authentication
H.245
Negotiates channel usage and capabilities
H.450.1 Series defines Supplementary Services for H.323
H.450.2 Call Transfer supplementary service for H.323
H.450.3 Call diversion supplementary service for H.323
H.450.4 Call Hold supplementary service
H.450.5 Call Park supplementary service
H.450.6 Call Waiting supplementary service
H.450.7 Message Waiting Indication supplementary service
H.450.8 Calling Party Name Presentation supplementary service
H.450.9 Completion of Calls to Busy Subscribers supplementary service
H.450.10 Call Offer supplementary service
H.450.11 Call Intrusion supplementary service
H.450.12 ANF-CMN supplementary service
H.261
Video stream for transport using the real-time transport
H.263
Bitstream in the RTP Q.931manages call setup and termination
RAS
Manages registration, admission, status
RTCP
RTP Control protocol
RTP
Real-Time Transport
T.38
IP-based fax service maps
T.125
Multipoint Communication Service Protocol (MCS).
Desenvolvimento típico H.323
Protocolos
• A série de recomendações H.323 evolui do trabalho do
ITU-T no videotelefone e conferência multimédia para
RDIS até 2 Mbit/s na série H.320
• O ITU-T trabalhou em comunicações similares sobre
redes ATM (H.310, H.321)
• Na RTC analógica (H.324)
• Na então recém nascida Ethernet isócrona (H.322)
• A partir de 1995 começou a trabalhar em LANs com o IP
como protocolo de nível de rede
– Problema da Qualidade de Seviço
Protocolos
H.323: Abrangência e componentes
• A versão inicial do H.323 foi aprovado pela ITUT em Junho de 1996
– Os problemas com o QoS atrasaram o processo até o
1998 H.323v2 e H.323v3 3m 1999
– Incorporação de muitas novas funcionalidades para
servir de base ao telefone sobre IP à escala global
– Muitos novos melhoramentos no H.323v4 em finais
de 2000
• Fiabilidade, escalabilidade, flexibilidade
18
H.323: Protocolos de sinalização
Descoberta do Gatekeeper e
Registo
Endereços e Registos
Modelos de Sinalização
• H.323 suporta vários tipos de endereços
– Endereço numérico (RTC)
• Não inclui informação adicional (Plano de discagem)
• O servidor converte-o num endereço de entidade
– H.323-ids: Endereços tipo email, URL-ID
– Ao contrário do SIP
• Um endereço registado por zona que resolve num ponto terminal
• Chamadas 1:n requerem um gatekeeper a expandir o endereço
colectivo
• Sinalização Directa
• Sinalização de chamada via gatekeeper
• Controlo H.245,RAS H.225 e H.225 via
Gatekeeper
• Registos
– Expiram após um tempo bem definido
– Mensagem de KeepAlive
– Registos aditivos
Sinalização Directa
Sinalização via gatekeeper
19
Sinalização controlada por H.245
Fases de uma comunicação H.323
• 5 fases:
– Estabelecimento de chamada
– Comunicação inicial e troca de
funcionalidades
– Estabelecimento da comunicação audiovisual
– Serviços de chamada
– Terminação de chamada
Estabelecimento de chamada
• Pode ter as seguintes realizações
Estabelecimento de chamada
Gatekeeper A
Gatekeeper B
– Básica com 2 terminais não registados
• Comunicação directa
– 2 terminais registados no mesmo gatekeeper
– Só o terminal chamador tem gatekeeper
– Só o terminal chamado tem gatekeeper
– Ambos os terminais têm gatekeepers
diferentes
• Comportamento do terminal depende da
configuração do modelo de sinalização
Estabelecimento de chamada
Terminal A
Terminal B
Call Set-up H.323
• Utilização do FAST CONNECT
– Acelera o estabelecimento duma chamada ponto-aponto
• Apenas num RTT
– É usado se a entidade chamadora tiver este
elemento activo Connect
– Permite abrir imediatamente os canais de média
– Senão for usado o FAST Connect é necessário usar
as mensagens H.245 para troca de capacidades e
abertura dos canais de média
– Fast connect permite mais informação para o
estabelecimento de gateways H.323/SIP
20
Comunicação inicial e troca de
funcionalidades
• Canal de controlo H.245
– Usado para troca de funcionalidades e abrir
canais de media
– Aberto a seguir ao CONNECT, ALERTING,
CALL PROCEEDING ou RELEASE
COMPLETE
– Mensagem TERMINALCAPABILITYSET
– MASTERSLAVEDETERMINATION(ACK)
Comunicação Audiovisual
• Aberta usando procedimentos H.245
• Aberto 1 canal lógico por stream de
informação
– Áudio e Vídeo sobre transporte não fiável
– Dados sobre transporte fiável
• Encapsulado em mensagens H.225
Comunicação Audiovisual
Serviços de Chamada
• Serviços invocados pelo terminal quando
a chamada está activa
• Bandwidth Change Services
• Supplementary Services
Terminação de chamada
• Feita pelo ponto terminal ou gatekeeper
• A terminação dos média (áudio, vídeo, dados)
só quando os canais estão fechados
• H.245 ENDSESSIONCOMMAND
– Se recebida de volta é fechado o canal de controlo
H.245
– Deve ser enviada uma mensagem RELEASE
COMPLETE para fechar o canal de sinalização
– Terminar a chamada não significa terminar uma
conferência
• É necessária uma mensagem H.245 DROPCONFERENCE
enviada pelo MC
Terminação de Chamada
• Terminador sem gatekeeper
• Terminador com gatekeeper
– Gatekeeper precisa de ser informado da terminação
• Terminal->Gatekeeper: Disengage Request (DRQ)
• Gatekeeper->Terminal: Disengange Confirm (DCF)
• Feita pelo gatekeeper
• Gatekeeper->Terminal: Disengage Request (DRQ)
• Terminal ->….: Release Complete
• Terminal->Gatekeeper: Disengage Confirm (DRQ)
21
Localização de Terminais fora de
Zona
Exemplo de Chamada
(1)Permissão para Chamar B
(2) Confirmação e Endereço
(3) Est.Canal de Sinalização
(4)Determinação de Localização e
Reencaminhamento de pedido
(6,7) Confirmação de permissão de aceitação
(8) Indicação de Alerta ou Chamada estabelecida
•LOCATION REQUEST (LRQ)
•Unicast ou Multicast
•Pode envolver uma rede gatekeepers
•LOCACTION CONFIRM (LCF)
•TSAP: IP+Nº Porta
Serviços de chamada adicionais
• Conferência
–
–
–
–
Suporta conferências fechadas
Controlo de acesso
Gestor de Conferência
MC+MP: sincronização da conferência
• Conferência em difusão
– Suporte de conferências abertas tipo MBONE
• Serviços suplementares
– Transferência de chamada
– Chamadas em espera (com mensagem)
– ….
Sinalização: SIP
• Session Initiation Protocol
– Protocolo Multimédia que tira partido do modelo iInternet para
construir redes e aplicações VOIP com base numa arquitectura
distribuída
• Entidades
–
–
–
–
–
Agente do Utilizador
Gateways
Servidor Proxy
Servidor Redirect
Servidor Registrar
• Protocolos (RFC 2543 v1, RFC 3261 v2)
–
–
–
–
SDP ( Session Definition Protocol )
URLs
DNSs
TRIP ( Telephony Routing Over IP)
Segurança H.235
• Autenticação
– Password, Assinaturas digitais
• Integridade
– Geração de verificações de mensagem via
password
• Privacidade
– Para cifragem dos média
– DES, Triple DES ou RC2
SIP (Session Initiation Protocol)
• Protocolo de controlo ao nível de aplicação
– que pode estabelecer, modificar e terminar
– sessões e chamadas multimédia.
• Essas sessões multimédia incluem
– conferências multimédia
– ensino à distância
– telefone sobre IP
• O SIP pode envolver
– pessoas
– robots como serviço de armazenamento.
• O SIP pode convidar participantes
– para sessões unicast como Multicast
– O niciador não precisa de ser mebro da sessão para a qual é
convidado
22
Servidores SIP
• Servidor Proxy SIP
– reencaminha a sinalização de chamada funcionando
tanto como cliente como servidor
– Funciona de forma transacional, isto é, não mantém
informação de estado
–
• Servidor SIP Redirect
– Redirecciona chamadas para outros servidores
• Servidor SIP Registrar
– Aceita pedidos de registo dos servidores
– Mantém informações de utilizadores num Servidor de
Localização (como o GSM)
Registo SIP
Session Initialization Protocol
• O chamador e o chamado trocam
mensagens de texto
– Formatos são similares ao HTTP
• O chamado é identificado através dum
URL SIP, user@host
– A parte do utilizador é um nome do utilizador
ou um nº de telefone
– A parte do host é um nome de domínio ou um
endereço de rede
Session Initialization Protocol
(SIP)
• Um participante pode registar o seu
identificador na localização corrente via
um servidor de registo.
– Suporta a mobilidade do utilizador uma vez
que as chamadas são redireccionadas para a
localização actual do utilizador
• O DNS está a ser expandido para
disonibilizar lookups para a localização
normal do utilizador
Estabelecimento de chamada
directa SIP
SIP (Estabelecimento de chamada)
INVITE
Session parameters
…...
(Response) OK
Session parameters
…….
ACK
23
SIP(Estabelecimento de chamada com redirecção)
Proxy vs. Redirect
• A servidor SIP server pode servidor de proxy ou
redirecionar um pedido de chamada
– Qual dos métodos aplicar é um problema de
configuração. Pode ser configurado estática ou
dinamicamente
• A redirecção é útil se o utilizador se mover ou
mudar o seu fornecedor de serviço
– PSTN: “The number you have dialed is not
available.”) – o utilizador da próxima vez não precisa
de tentar o mesmo servidor
• O Proxy é util se é necessário for necessário
mais controlo: AAA, firewall, etc…
Mensagens SIP
Códigos de Resposta SIP
• Encoding: SIP is a text-based protocol and uses the ISO
10646 character
• Format : SIP-message = Request | Response
• generic-message = start-line
*message-header
CRLF
[ message-body ]
• start-line
= Request-Line | Status-Line
• message-header = ( general-header
| request-header
| response-header
| entity-header )
• Method =
"INVITE" | "ACK" | "OPTIONS" | "BYE"
| "CANCEL" | "REGISTER"
Mensagens SIP
• Borrowed from HTTP: xyz explanatory
text
• Receivers need to understand x
• 4yzClient
• 1yz Informational
–
–
–
–
– 100 Trying
– 180 Ringing (processed locally)
– 181 Call is Being Forwarded
•
2yz Success
– 200 ok
• 3yz Redirection
– 300 Multiple Choices
– 301 Moved Permanently
– 302 Moved Temporarily
400 Bad Request
401 Unauthorized
482 Loop Detected
486 Busy Here
•
5yzServer failure
•
6yzGlobal Failure
– 500 Server Internal Error
– 600 Busy Everywhere
Arquitectura SIP
• INVITE
– Descripção de sessão incluída no corpo da
mensagem.
– re-INVITE usados para mudar estado da sessão
• ACK confirma estabelecimento de sessão
– pode ser usado apenas com o INVITE
•
•
•
•
BYE termina sessões
CANCEL cancela um INVITE pendente
OPTIONS pergunta sobre funcionalidades
REGISTER associa um endereço
permanente à localização corrente
24
Sinalização: MGCP, MAGACO
Arquitectura MGCP
• Media Gateway Control Protocol
– Usar o modelo de pacotes de software e disponibilizar uam
arquitectura centralizada para controlar as chamadas e os serviços
– Controlador os gateways de telefone de elementos externos de
controlo de chamada designados por gateway de controlo de média (
media gateway controllers ) ou agentes de chamada
(call agents).
PSTN
MGCP
Voice Gateway
T1/E1
• Entidades
FXO/FXS
E&M
– MGC (Media Gateway controller / Call agent)
– MG (Media Gateway)
PBX
• Protocolos
– MGCP v1 – RFC 2705
– H.248 (H.248 / MAGACO) – RFC 3525
– SDP (Session Definition Protocol) - RFC 3407
Call Agent
IP Phone
( MGCP Client )
IP Phone
( MGCP Client )
MGCP
RTP
Comparação da Sinalização VoIP
Comparação da Sinalização VoIP
DTMF
Gateway Asterisk: O que é?
• Um software completo de PBX software
para plataformas Linux desenvolvido pela
Digium (M.S.)
• Faz a comutação de chamadas num PBX,
tradução de CODECs, e várias aplicações
• Software Open Source sob licença GNU
25
Asterisk: Aplicações
•
•
•
•
Asterisk: Visão geral
Voicemail
Discar numa interface (ZAP, SIP, IAX, etc)
Pontes para Conferência
Filas para distribuição automática de chamadas
– ACD Queues
– Excelentes para Call Centers
• Resposta interactiva por voz
– IVR ( press “1” if you know the ext)
• Operações em Bases de Dados
• ENUMlookup
• AGI (asterisk gateway interface, como a CGI)
– Para scripting
Asterisk: Lógica de chamada
• Usa uma máquina de estados para saber
o que fazer com a chamada
– Contexto : A origem da chamada (SIP, RFN,
etc)
– Extensão: o número discado pelo utilizador
– Prioridade: Um contador que ordena a
sequência de comandos
Asterisk: ENUM
Asterisk: Exemplo de Lógica de
chamada
• Um utilizador disca 3001, que é uma extensão para a central
Central. O utilizador está definido no contexto local ( context
=> local)
extensions.conf
[local]
exten => 3001,1,Voicemailmain2
• Um utilizador sip (4001) disca 1001 que é um telefone
analógico (Zap/1), e cai no voicemail se estiver indisponível
(ninguém responde em 30 secs)
sip.conf
[4001]
Username=4001
Context=from-sip
…
extensions.conf
[from-sip]
exten => 1001,1,Dial(Zap/1,30)
exten => 1001,2,Voicemail2(u1001)
Asterisk: Enum Example
• Como é que um utilizador da RFN pode chamar
um utilizador SIP? Só tem teclado numérico
normal? Como especificar um URI?
• ENUM. Cria um directório global que faz a
correspondência número de telefones para
endereços SIP (ou email)
• DNS lookup (E.164 -> URIs)
• As interrogações E.164 queries são formadas com
os números ao contrário separados com pontos
com domínio de topo ENUM no fim (normalmente
e164.arpa)
– 905-845-9430
0.3.4.9.5.4.8.5.0.9.e164.arpa
26
Asterisk: IAX
Asterisk: IAX (cont)
• Inter-Asterisk eXchange (IAX)
– Usada pelo gateway Asterisk como
alternativa ao SIP, H.323, etc
• Suporta estilo de segurança PKI e tronca
• Quando se usa tronca, aloca apenas a
largura de banda usada
• Qualidade similar ao SIP, mas com o
aumento de número de conexões (no
modo tronca) torna-se melhor
• IAX é transparente ao NAT/PAT
• IAX2 triplica as chamadas da tronca por
megabyte
– 100 chamadas/MB (com o G.729)
• Cerca de 1000 utilizadores registados
iaxtel (como FWD)
– Versions: IAX and IAX2
27